Verschränkte Elektronen weisen Proton den Weg

Das Zerbrechen des Wasserstoffmoleküls in ein Proton und ein Wasserstoffatom nach Photoionisation wurde am Heidelberger MPI für Kernphysik kinematisch vollständig untersucht. Die quantenmechanische Verschränkung der beiden Elektronen äußert sich dabei in einer deutlichen Asymmetrie der relativen Emissionsrichtung von Elektron und Proton. Die Abhängigkeit der Asymmetrie von der jeweiligen Teilchenenergie kann durch ein einfaches Modell der Überlagerung von Quantenzuständen erklärt werden. [Physical Review Letters, 20. Mai 2013]

Molekularer Wasserstoff (H2) ist das einfachste Molekül, in welchem Elektronenkorrelation eine wichtige Rolle spielt. Dies ermöglicht Zustände, in denen beide Elektronen angeregt sind und deren Gesamtenergie über der Bindungsenergie eines einzelnen Elektrons liegt. Ein solcher doppelt angeregter Zustand kann daher unter Emission eines Elektrons zerfallen. Diesen Vorgang nennt man Autoionisation, der z. B. aus dem Helium-Atom als einfachstem Beispiel bekannt ist. Im Unterschied hierzu kommt beim H2-Molekül der Abstand der beiden Protonen als zusätzlicher Freiheitsgrad hinzu, deren Bewegung vergleichbar schnell mit der Zerfallszeit des autoionisierenden Zustands erfolgt. Das dynamische Wechselspiel zwischen Elektronen und den wesentlich schwereren Protonen kann zum Aufbruch (Dissoziation) des H2+-Molekül-Ions in ein Proton und ein Wasserstoff-Atom führen. Dieser stark korrelierte Vier-Teilchen-Prozess wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht.

Forscher des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik haben die so genannte dissoziative (Auto-)ionisation von H2 kinematisch vollständig untersucht. Die Anregung des Systems erfolgt mit einer Serie von Attosekunden-Laserpulsen im fernen Ultraviolettbereich. Dabei kann die Dissoziation über zwei Wege erfolgen (siehe Abb. 1): Bei direkter Ionisation wird ein Photoelektron freigesetzt und das zweite Elektron in einen angeregten, ungebundenen Zustand des H2+-Molekülions befördert. Dieser Zustand (u) hat ‚ungerade‘ Symmetrie, d. h. die Wellenfunktion des Elektrons hat am Ort der beiden Protonen jeweils ein unterschiedliches Vorzeichen. Eine weitere Möglichkeit ist die Bildung eines doppelt angeregten Zustands (Q), der über Autoionisation in den gebundenen Grundzustand (g) von H2+ zerfällt. Dieser hat ‚gerade‘ Symmetrie ohne Vorzeichenwechsel der Wellenfunktion.

Beide Wege sind ununterscheidbar, wenn sie sowohl für das Elektron wie für die Fragmente (Proton und Wasserstoffatom) die gleichen Energien liefern. In diesem Fall wird das System durch eine Überlagerung der Zustände (u) und (g) beschrieben – quasi eine molekulare ‚Schrödinger-Katze‘. Je nachdem, wie die Überlagerung erfolgt, kann das Elektron am dem einen oder anderen Kern lokalisiert werden – dabei schwingt es zunächst zwischen den beiden Kernen hin und her. Mit welcher Wahrscheinlichkeit es schließlich an welchem Kern zu finden ist, wird durch die Dynamik des Molekülaufbruchs bestimmt.

Alle Teilchen des Systems sind miteinander verschränkt: Nach Absorption des Photons muss es ungerade Symmetrie haben. Ist also H2+ im Zustand (u) muss das freie Elektron in einem geraden Zustand sein und umgekehrt. Die Lokalisierung des gebundenen Elektrons bestimmt, in welcher Richtung das Proton beobachtet wird. Dieses ‚erinnert‘ sich sozusagen, welche Richtung das freie Elektron eingeschlagen hat. Je nachdem, wie sich das System entwickelt, werden Elektron und Proton vorzugsweise in der gleichen (rot) bzw. in entgegengesetzter Richtung (blau) beobachtet (Abb. 2a). Diese Asymmetrie ist durch die Wahl der Energien von Elektron und Proton festgelegt. Für eine gegebene Frequenz (Photon-Energie) des Lasers und eine bestimmte Energie des Elektrons (bzw. Protons) lässt sich also vorhersagen, ob das Proton (bzw. Elektron) eher in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung fliegt.

Die Heidelberger Physiker haben nun ein einfaches Modell entwickelt, mit dem sie sowohl die Dynamik des Molekülaufbruchs als auch die Lokalisierung des gebunden Elektrons beschreiben können. Dieses stimmt, was das Vorzeichen (Phasenlage) der Asymmetrie angeht, sehr gut mit dem Experiment überein (Abb. 2b). Lediglich die Stärke der Asymmetrie lässt sich damit nicht berechnen. Hierfür hat eine Theoriegruppe der Autonomen Universität Madrid eine umfassende Rechnung durchgeführt, welche das qualitative Resultat des einfachen Modells bestätigt und die beobachtete Asymmetrie gut wiedergibt.

Das Verhalten dieses verschränkten Quantensystems ist durch die Symmetrie und seine zeitliche Entwicklung nach Beschuss mit dem UV-Laser vollständig bestimmt. Mittels eines zweiten Laserpulses mit variabler Verzögerung könnte die Asymmetrie durch eine Kontrolle der elektronischen Verschränkung direkt manipuliert werden. Dies soll in weiteren Experimenten untersucht werden.

Quelle:

Max-Planck-Institut für Kernphysik